自生長石墨烯電極發光二極管及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種自生長石墨烯電極發光二極管及其制備方法，依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層、金屬插入層和石墨烯電極層結合形成，通過金屬插入層作為CVD法制備石墨烯電極的催化劑，實現石墨烯的自生長，使金屬插入層和石墨烯電極層的石墨烯材料形成石墨烯復合電極。本發明方法采用石墨烯薄膜與金屬插入層形成復合電極，并置于依次由襯底、導體層、有源層和半導體層形成體系之上，組成完整的器件結構。本發明采用金屬插入層作為催化劑，實現CVD法石墨烯電極的自生長，借助于金屬插入層與半導體及石墨烯間的良好接觸特性提高器件的界面特性，并通過金屬插入層改善石墨烯與半導體間的電荷注入，優化器件的性能。
【專利說明】自生長石墨烯電極發光二極管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體器件及其制備工藝，具體涉及一種自生長石墨烯電極發光二極管及其制備方法，應用于發光二極管器件結構和制備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]石墨烯是一種由碳原子緊密堆積成的單原子層的晶體，具有很多獨特的性質，如高的比表面積、良好的熱穩定性、優良的導熱特性等。這些優異的性能使石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、超級電容器和能量存儲等領域有很好的應用前景。特別的，石墨烯在可見光波段極高的透過率及良好的電學與熱傳輸性能，550nm時單層石墨烯理論透過率可達97.7%，使得其有潛力成為一種理想的透明導電材料。
[0003]近年來，采用石墨烯及其復合材料作為LED電極材料的研究很多，也取得了一定的效果，然而，目前采用的方法大都是先制備出石墨烯或氧化石墨烯，再采用一定方法轉移至目標襯底。然而，石墨烯在轉移的過程中容易破損并引入雜質；轉移的石墨烯與襯底之間依靠范德華力結合，容易在后續的工藝中出現分離或脫落的現象，從而影響器件的性能；并且石墨烯與LED半導體層的功函數相差較大，不利于電荷的注入。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種自生長石墨烯電極發光二極管及其制備方法，使用金屬插入層作為CVD法制備石墨烯的催化劑實現石墨烯電極的自生長，同時，利用金屬插入層改善半導體與石墨烯之間的電荷傳輸特性，提高器件的整體性能。
[0005]為達到上述發明創造目的，本發明采用下述技術方案:
一種自生長石墨烯電極發光二極管，依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層、金屬插入層、石墨烯電極層、金屬焊盤組成，所述金屬插入層與第二半導體層直接接觸并固定結合，所述金屬插入層的材料和所述石墨烯電極層的石墨烯電極材料相互結合形成復合電極。
[0006]所述金屬插入層的材料為N1、In、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料。
[0007]所述金屬插入層的厚度為l-10nm。
[0008]所述金屬插入層的制備方法為電子束沉積、熱蒸發、磁控濺射和溶液法的一種或任意幾種方法的結合。
[0009]所述石墨烯電極層為石墨烯薄膜，具有1-10層單原子石墨層。
[0010]一種自生長石墨烯電極發光二極管的制備方法，包括以下步驟:
a.制備所需金屬插入層；
b.將金屬插入層沉積在依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層組成的半導體器件體系的第二半導體層之上，使金屬插入層與第二半導體層直接接觸并固定結合； C.制備石墨烯電極層，將在步驟b中制得具有金屬插入層的半導體，置于CVD反應室中，將金屬插入層作為催化劑，采用化學氣相沉積法制備石墨烯電極層；
d.陰極圖形刻蝕:將在步驟c中制得的具有金屬插入層與石墨烯電極層的半導體，采用等離子體刻蝕石墨烯電極層與金屬插入層，感應耦合等離子體刻蝕第二半導體層與有源層至露出具有設定圖形形狀的第一半導體層；
e.金屬焊盤沉積:在步驟d中制作的半導體上采用電子束沉積法，制備具有設定圖形形狀的金屬焊盤，形成完整的器件結構。
[0011]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點: 本發明利用薄層金屬插入層作為CVD法制備石墨烯的催化劑，實現石墨烯電極的自生
長；通過金屬插入層的使用可改善石墨烯與半導體層之間的電荷傳輸，提高器件的整體性倉泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明實施例一自生長石墨烯電極發光二極管的結構示意圖。
[0013]圖2是沿圖1中A-A線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0014]本發明的優選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1，自生長石墨烯電極發光二極管，依次由襯底層1、第一半導體層2、有源層3、第二半導體層4、金屬插入層5、石墨烯電極層6、金屬焊盤7結合形成，襯底層I為藍寶石，第一半導體層2為N型氮化鎵，第二半導體層4為P型氮化鎵，金屬插入層5為鎳，所述金屬插入層5與P型氮化鎵直接接觸并固定結合，所述金屬插入層5的材料和所述石墨烯電極層6的石墨烯電極材料相互結合形成復合電極。
[0015]在本實施例中，參見圖1和圖2，自生長石墨烯電極發光二極管的制備方法，包括以下步驟:
a.制備所需金屬插入層5,
b.將金屬插入層5沉積在依次由襯底層、第一半導體層、有源層、第二半導體層組成的半導體器件體系的第二半導體層之上，使金屬插入層與第二半導體層直接接觸并固定結合；
c.石墨烯的制備:將上述步驟b中制作的具有鎳薄層的外延片置于CVD反應室中，抽真空至反應室中壓強降至IPa以下，采用氫氣體積含量為10%的氫氣和氬氣混合氣體，將混合氣體通入CVD反應室中，并維持CVD反應室內氣體壓力至常壓，重復此步驟3次后，控制混合氣體流量為lOOsccm，升溫至700度，通入碳源前驅體CH4/C2H4/C2H2，流量為20sccm，壓強650Pa下保溫30分鐘，切斷碳源前驅體，保持混合氣體流速不變，降溫至室溫；
d.光刻陰極圖形，采用感應耦合等離子體刻蝕至露出N型氮化鎵；
e.金屬焊盤沉積:將在上述步驟d中制作的半導體采用電子束沉積法沉積IOOnm金作為電極，形成完整的器件結構。
[0016]在本實施例中，鎳插入層的引入，實現了自生長石墨烯的制備，由于鎳與半導體及石墨烯間均具有較強的結合力，提高了器件的界面性能，并且由于鎳較高的功函數，可以改善石墨烯與P型半導體之間的電荷注入特性，從而優化器件的綜合性能。
【權利要求】
1.一種自生長石墨烯電極發光二極管，依次由襯底層(I)、第一半導體層(2)、有源層(3)、第二半導體層(4)、金屬插入層(5)、石墨烯電極層(6)、金屬焊盤(7)組成，其特征在于，所述金屬插入層(5)與第二半導體層(4)直接接觸并固定結合，所述金屬插入層(5)的材料和所述石墨烯電極層(6 )的石墨烯電極材料相互結合形成復合電極。
2.根據權利要求1所述的自生長石墨烯電極發光二極管，其特征在于:所述金屬插入層(5)的材料為N1、In、T1、Rh和Zn中的任意一種金屬材料或者任意幾種金屬的合金材料。
3.根據權利要求1所述的自生長石墨烯電極發光二極管，其特征在于:所述金屬插入層(5)的厚度為1-1Onm0
4.根據權利要求1所述的自生長石墨烯電極發光二極管，其特征在于:所述金屬插入層(5)的制備方法為電子束沉積、熱蒸發、磁控濺射和溶液法的一種或任意幾種方法的結口 ο
5.根據權利要求1所述的自生長石墨烯電極發光二極管，其特征在于:所述石墨烯電極層(6)為石墨烯薄膜，具有1-10層單原子石墨層。
6.一種自生長石墨烯電極發光二極管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: a.制備所需金屬插入層(5); b.將金屬插入層(5)沉積在依次由襯底層(I)、第一半導體層(2)、有源層(3)、第二半導體層(4)組成的半導體器件體系的第二半導體層(4)之上，使金屬插入層(5)與第二半導體層(4)直接接觸并固定結合； c.制備石墨烯電極層(6)，將在步驟b中制得具有金屬插入層(5)的半導體，置于CVD反應室中，將金屬插入層(5)作為催化劑，采用化學氣相沉積法制備石墨烯電極層(6); d.陰極圖形刻蝕:將在步驟c中制得的具有金屬插入層(5)與石墨烯電極層的半導體，采用等離子體刻蝕石墨烯電極層(6)與金屬插入層(5)，感應耦合等離子體刻蝕第二半導體層(4)與有源層(3)至露出具有設定圖形形狀的第一半導體層(2); e.金屬焊盤沉積:在步驟d中制作的半導體上采用電子束沉積法，制備具有設定圖形形狀的金屬焊盤(7)，形成完整的器件結構。
【文檔編號】H01L33/40GK103996777SQ201410187487
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】楊連喬, 馮偉, 顧文, 張建華 申請人:上海大學